UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
AMBIENTAL
Kalil Graeff Salim
OXIDAÇÃO PASSIVA DO METANO EM ENSAIOS DE COLUNA SIMULANDO CAMADAS DE COBERTURA DE
ATERROS SANITÁRIOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Armando Borges de Castilhos Júnior
Florianópolis 2011
Salim, Kalil Graeff
Oxidação passiva do metano em ensaios de coluna simulando camadas de cobertura de aterros sanitários / Kalil Graeff Salim. Florianópolis: UFSC / Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, 2011. xiv, 92 f.: il.
Orientador: Armando Borges de Castilhos Jr
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, 2011. 1. Aterros sanitários. 2. Biogás. 3. Bactérias metanotróficas. 4. Biorecobrimento para oxidação passiva do metano. 5. Ensaio em colunas – dissertação. I. Castilhos Jr, Armando Borges. II.
Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. III. Título.
Kalil Graeff Salim
OXIDAÇÃO PASSIVA DO METANO EM ENSAIOS DE COLUNA SIMULANDO CAMADAS DE COBERTURA DE
ATERROS SANITÁRIOS
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Ambiental, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental.
Florianópolis, 4 de julho de 2011. ________________________ Prof. Flávio Rubens Lapolli, Dr.
Coordenador do Curso Banca Examinadora:
________________________
Prof., Dr. Armando Borges de Castilhos Junior Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC ________________________
Prof. ª, Dr. ª Luciana Paulo Gomes
Universidade do Vale do Rio dos Sinos - UNISINOS ________________________
Prof., Dr. Masato Kobiyama
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC ________________________
Prof., Dr. Paulo Belli Filho
Dedico este trabalho: Aos meus pais pelo apoio constante
em todos os meus projetos, ao meu irmão Neif, amigo inseparável, e minha namorada Márcia Michele
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer todos que de alguma forma apoiaram para o desenvolvimento desta pesquisa:
Primeiramente aos meus familiares pelo carinho e pela educação que me foi passada e incentivos constantes em todos os meus projetos;
A minha namorada Márcia Michele, pelo carinho, companheirismo e dedicação;
Ao professor Armando Borges de Castilhos Júnior pelas orientações, auxílios e pela oportunidade de desenvolver esta pesquisa;
Ao professor Alexandre Cabral e Camila Roncato pelo apoio metodológico e ensinamentos passados;
À Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (PPGEA), que proporcionaram auxílio e infra-estrutura no decorrer desta pesquisa;
Ao Edevaldo do Laboratório de Ciências Térmicas, pela confecção de minha coluna experimental;
Ao João Renato da Central de Análises da Química, pelo apoio na utilização do equipamento analítico;
Ao professor Paulo Belli e ao mestrando Wanderli pelo empréstimo do equipamento analítico utilizado nesta pesquisa;
Às bolsistas Ana e Vanessa pelo esforço e dedicação ao longo da pesquisa;
A todos os colegas do LARESO, em especial a Heloisa, Fernando, Elivete e Francisco;
A CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro;
Aos meus amigos, que sempre me apoiaram e estiveram presente durante a realização desta pesquisa;
A todos vocês meu Muito Obrigado!! Kalil Graeff Salim
“A educação sozinha não transforma a sociedade, sem ela tão pouco a sociedade muda”.
RESUMO
As emissões antrópicas de metano preocupam quanto à possibilidade de contribuição ao efeito estufa e aquecimento global. Desta forma, os Aterros Sanitários como grandes emissores de gás metano devem possuir sistemas capazes de diminuir as emissões através da drenagem, queima e/ou aproveitamento do metano gerado. Todavia, existem emissões fugitivas que escapam pela camada de cobertura dos aterros. Por este motivo tem-se estudado diferentes alternativas para utilização de bactérias metanotróficas, contidas no material de recobrimento dos aterros, para oxidar o metano. Os Biorecobrimentos de Oxidação Passiva do Metano (BOPM) buscam reduzir as emissões de metano durante e após a vida útil de um aterro sanitário. Diante deste fato a presente pesquisa teve como objetivo analisar a taxa de oxidação do metano com diferentes substratos potenciais, simulando através de ensaios de coluna a camada de cobertura dos aterros sanitários. Os substratos utilizados foram o solo de cobertura do aterro sanitário de Biguaçu (SC, Brasil); uma mistura de solo com lodos de estações de tratamento de esgoto e água e 15%, em peso, de cal; e uma mistura de solo com lodo de estação de tratamento de esgoto e 30%, em peso, de cal. Foi inserida uma mistura gasosa de 50% CH4 e 50% CO2 na parte
inferior da coluna e ar atmosférico na parte superior da coluna. As dimensões da coluna foram 60 cm de altura e 15 cm de largura, possuindo 5 pontos de amostragem de gás a cada 10 cm e uma saída de gases na parte superior da coluna. Foram realizados ensaios de caracterização dos substratos no início e no final dos ensaios, objetivando avaliar as alterações no pH, teor de matéria orgânica e grau de saturação. A coleta e analise das amostras foi realizada por um analisador portátil infravermelho LAM 2000. O período de análise durou de 38 a 65 dias para cada substrato e a taxa de oxidação máxima de CH4 dos ensaios variou de 19,8 a 107,6 g CH4/m².dia, representando
ganhos de eficiência de oxidação entre 52,3 e 73,3%. O tipo de substrato, o aumento da oferta de CH4 e ar atmosférico, além do grau de
saturação foram os fatores mais susceptíveis para variar a taxa de oxidação. O substrato que apresentou o maior potencial de oxidação do CH4 foi a mistura de solo com lodos de estações de tratamento de esgoto
e água e 15%, em peso, de cal, com uma taxa de oxidação de 107,6 g CH4/m².dia, demonstrando ser uma ótima opção para a utilização como
ABSTRACT
Anthropogenic emissions of methane are a concern due to their possibility of contributing to the greenhouse effect and global warming. Thus, the Landfill, as the major emitters of methane, should have systems capable of reducing emissions by drainage, burning and / or use of generated methane. However, there are fugitive emissions that escape through the cover layer of the landfill. For this reason, there has been a development of studies on different alternatives for the use of methanotrophic bacteria, contained in the coating material of the landfills, to oxidize methane. The Passive Methane Oxidation Biocover (PMOB) seeks to reduce methane emissions during and after the life of a landfill. Given this fact, the present study aimed to analyze the rate of oxidation of methane with different potential substrates, simulating, through column tests, the cover layer of landfill. The used substrates were the soil of the landfill in Biguaçu (SC, Brazil); a mixture of soil and sludge from sewage and water treatment plants and 15%, in weight, of chalk; and a mixture of soil and sludge from sewage treatment plant and 30%, in weight, of chalk. Was inserted a gaseous mixture of 50% CH4 and 50% CO2 at the bottom of the column and atmospheric air at
the top of the column. The column was 60 cm in high and 15 cm in width and had five sampling points every 10 cm high. Tests were performed to characterize the substrates at the beginning and end of the experiment, with the objective to evaluate the changes in pH, organic material content and degree of saturation. The samples collection and analysis were performed by a portable infrared analyzer LAM 2000. The observation period lasted from 38 to 65 days for each substrate and the maximum rate of CH4 oxidation the tests ranged between 19.8 and 107.6
g CH4 / m².day, representing gains of oxidation efficiency between 52,3
and 73.3%. The type of substrate, the increased supply of CH4 and
atmospheric air, plus the degree of saturation were the factors most likely to vary the rate of oxidation. The substrate which showed the greatest potential for oxidation of CH4 was the mixture of soil with
sludge from sewage treatment plants and water and 15% by weight of lime, with an oxidation rate of 107.6 g CH4 / m². day, proving to be a great option for use as landfill biorecover.
Keywords: Landfill, Biogas, Methanotrophic bacteria, Passive Methane Oxidation Biocover, Columm test
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Geração de resíduos 2008 e 2009 (ABRELPE, 2009) ...35
Figura 2– Coleta de resíduos 2008 e 2009 (ABRELPE, 2009) ...35
Figura 3– Destinação dos resíduos 2008 e 2009 (ABRELPE, 2009) ...36
Figura 4– Fontes de emissões antrópicas (adaptado de Wuebbles e Hayhoe, 2002). ...41
Figura 5 – Biorecobrimento (adaptado de Huber-Humer et al. (2008)) ...50
Figura 6 – Biofiltro (adaptado de Huber-Humer et al. (2008)) ...51
Figura 7 – Biojanelas (adaptado de Huber-Humer et al. (2008)) ...52
Figura 8 – Biomanta (adaptado de Huber-Humer et al. (2008)) ...53
Figura 9 – Coluna experimental (adaptado de Kightley et al. (1995)) ...56
Figura 10 – Coluna experimental (adaptado de Humer et Lechner (2001b)) ...57
Figura 11 – Coluna experimental (adaptado de Stein et al. (2001) e Wilshusen et al. (2004)) ...58
Figura 12 – Coluna experimental (adaptado de Kettunen et al. (2006)) ...59
Figura 13 – Coluna experimental (adaptado de Perdikea et al. (2008)) ...60
Figura 14 – Coluna experimental (adaptado de Philopoulos et al. (2009) ...61
Figura 15 – Coluna experimental de Roncato (2009) ...62
Figura 16 – Fluxograma metodológico ...65
Figura 17 – Coluna experimental ...70
Figura 18 – Equipamentos coluna experimental ...71
Figura 19 – Compressor de ar, válvula de ajuste fino e pote umidificante ...72
Figura 20 – Bolhômetro ...72
Figura 21 – Coleta de amostras ...74
Figura 22 – Planilha de análise de resultados ...75
Figura 23 – Mangueira e filtro de coleta de gases ...75
Figura 24 – Curva granulométrica Substrato 1 ...77
Figura 25 – Curva granulométrica Substrato 2 ...78
Figura 26 – Curva granulométrica Substrato 3 ...80
Figura 27 – Taxa de aplicação de CH4 e O2 e taxas de eficiência ...82
Figura 28 – Taxa de aplicação e oxidação de CH4 e eficiências do ensaio 1 ....82
Figura 29 – Perfil da concentração dos gases no solo (dia 53, ensaio 1) ...83
Figura 30 – Taxa de aplicação de CH4 e O2 e eficiências do ensaio 2 ...85
Figura 31 – Taxa de aplicação e oxidação de CH4 e eficiências do ensaio 2 ....85
Figura 32 – Perfil da concentração dos gases no solo (dia 34, ensaio 2) ...86
Figura 33 – Taxa de aplicação de CH4 e O2 e eficiências do ensaio 3 ...87
Figura 34 – Taxa de aplicação e oxidação de CH4 e eficiências do ensaio 3 ....88
LISTA DE TABELAS
Tabela 1– Composição do biogás ...40
Tabela 2– Quantificação da emissão de metano em aterros sanitários ...42
Tabela 3– Fatores geotécnicos que afetam a emissão de biogás ...43
Tabela 4 - Principais pesquisas realizadas ...63
Tabela 5 – Parâmetros avaliados e normas ...67
Tabela 6 – Parâmetros do substrato 1 ...78
Tabela 7 – Parâmetros do substrato 2 ...79
Tabela 8 – Parâmetros do substrato 3 ...80
Tabela 9 – Parâmetros geotécnicos dos substratos ...81
Tabela 10 – pH dos ensaios ...90
Tabela 11 – Umidade dos substratos ...91
Tabela 12 – Grau de saturação dos substratos ...91
Tabela 13 – Teor de ar nos substratos ...92
Tabela 14 – Teor de matéria orgânica dos substratos ...93
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
BOPM Biorecobrimento para Oxidação Passiva do Metano CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior
CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
CO2 Dióxido de carbono
GEE Gases de Efeito Estufa Gs Densidade relativa
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change LARESO Laboratório de Pesquisa em Resíduos Sólidos LL Limite de Liquidez
LP Limite de Plasticidade
MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo M.O Teor de matéria orgânica
Mt Mega tonelada NBR Norma Brasileira
O2 Oxigênio
pH Potencial Hidrogeniônico
PPGEA Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental RSU Resíduos Sólidos Urbanos
SC Santa Catarina Sr Grau de Saturação
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...23 1.1 JUSTIFICATIVAS...25 1.2 OBJETIVO ...27 1.2.1OBJETIVO GERAL ...27 1.2.2OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...27 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...29 2.1 RESÍDUOS SÓLIDOS ...29 2.1.1CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS ...30 2.1.1.1. CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ORIGEM ...30 2.1.1.2. CLASSIFICAÇÃO QUANTO AOS RISCOS POTENCIAIS ...32 2.1.2. COMPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS ...33 2.1.3. GERAÇÃO, COLETA E DESTINAÇÃO FINAL ...34 2.2. ATERRO SANITÁRIO ...36 2.3. BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO ...38 2.4. COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS ...39 2.5. GÁS METANO...40
2.6. FATORES DE INFLUÊNCIA PARA A OXIDAÇÃO DO METANO
...44 2.6.1. BACTÉRIAS METANOTRÓFICAS ...45 2.6.2. MATÉRIA ORGÂNICA ...46 2.6.3. GRAU DE SATURAÇÃO E POROSIDADE ...47 2.6.4. TEMPERATURA ...48 2.6.5. PH ...48 2.6.6. PRESSÃO ATMOSFÉRICA ...48 2.6.7. METAIS E NH4 ...48
2.7. TÉCNICAS EM DESENVOLVIMENTO PARA OXIDAÇÃO DO
METANOEMATERROSSANITÁRIOS ...49 2.7.1. BIORECOBRIMENTOS (BIOCOVER) ...50 2.7.2. BIOFILTRO (BIOFILTER) ...50 2.7.3. BIOJANELAS (BIOWINDOW) ...51 2.7.4. BIOMANTA (BIOTARP) ...52
2.8. MÉTODOS DE MEDIÇÕES DAS EMISSÕES DE CH4 E
CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DE OXIDAÇÃO ...53 2.8.1. CÂMARA DE FLUXO ...53 2.8.2. GÁS TRAÇADOR ...54 2.8.3. PERFIL DE GASES ...54 2.8.4. BALANÇO DE MASSA ...54 2.8.5. ISÓTOPO ESTÁVEL ...55 2.9. ESTUDOS DE OXIDAÇÃO EM COLUNAS ...55 3.MATERIAIS E MÉTODOS ...65 3.1. SELEÇÃO E COLETA DE SUBSTRATOS ...66
3.4. ANALISADOR DE GÁS ... 73 3.4.1. LANDTEC - GEM 2000 ... 73 3.4.2. CALIBRAÇÃO DO EQUIPAMENTO ... 73 3.4.3. MÉTODO DE COLETA E ANÁLISE DOS GASES ... 74
3.5. DETERMINAÇÃO DA TAXA DE OXIDAÇÃO DO METANO E
EFICIÊNCIA DE OXIDAÇÃO ... 76 3.5.1. BALANÇO DE MASSA DE CH4 ... 76 3.5.2. INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS ... 76 4.RESULTADOS ... 77 4.1. CARACTERIZAÇÃO DOS SUBSTRATOS ... 77 4.2. EFICIÊNCIA E TAXA DE OXIDAÇÃO ... 81 4.2.1. ENSAIO 1 (SOLO DO ATERRO SANITÁRIO; H:40 CM; SR:46,3%) ... 81
4.2.2. ENSAIO 2 (SOLO COM O LODO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ÁGUA E ESGOTO COM UM ACRÉSCIMO DE 15% DE CAL; H:40 CM; SR:40,1%) . 84
4.2.3. ENSAIO 3 (SOLO COM O LODO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ESGOTO COM UM ACRÉSCIMO DE 30% DE CAL; H:40 CM; SR:41,1%)... 86
4.3. CARACTERIZAÇÃO DO SOLO APÓS OS ENSAIOS ... 89
4.3.1. PH... 89 4.3.2. UMIDADE ... 90 4.3.3. TEOR DE MATÉRIA ORGÂNICA ... 92 4.4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 93 5.CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 97 6.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 101 ANEXO A – PLANILHA DE CÁLCULOS ENSAIO 1 ... 109 ANEXO B – PLANILHA DE CÁLCULOS ENSAIO 2 ... 111 ANEXO C – PLANILHA DE CÁLCULOS ENSAIO 3 ... 113 ANEXO D – CONVERSÕES ... 115
1 INTRODUÇÃO
A partir da revolução industrial passou-se a utilizar em grande escala os combustíveis fósseis, tendo como conseqüência das atividades humanas as emissões de gases de efeito estufa. Estes gases absorvem parte das radiações infravermelha, dificultando seu escape para o espaço e impedindo que ocorra uma perda de calor, mantendo com isso a Terra aquecida. É um fenômeno natural, porém, com as constantes emissões de gases como o metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) e óxido
nitroso (N2O), dentre outros, verifica-se o aumento constante da
temperatura global e a geração de preocupações ao redor do mundo com relação às mudanças climáticas e impactos associados.
De acordo com estudos realizados, o poder de aquecimento do metano é 25 vezes maior que o do dióxido de carbono, sendo ele então um gás com grande potencialização de efeito estufa (IPCC, 2007). As fontes antropogênicas são as principais responsáveis pelas emissões de gases de efeito estufa, dentre estas fontes estão: indústrias, agricultura, mineração, transportes, construção e habitação, estando presentes neste último item os resíduos sólidos urbanos e os esgotamentos sanitários (IPCC, 2007).
O grande crescimento populacional em todo o mundo aliado ao crescimento econômico, bem como os hábitos de consumo, tem como conseqüência a geração crescente de resíduos sólidos. Contudo, ainda são muito pouco aplicadas às tecnologias alternativas para a reciclagem, reutilização e valorização energética dos resíduos sólidos, sendo grande parte destes resíduos, principalmente nos países em desenvolvimento, ainda tratados de maneira incorreta, vindo a ocasionar impactos ao meio ambiente. Em contrapartida, a utilização da técnica de aterro sanitário para a disposição final dos resíduos sólidos é muito utilizada em vários países. Esta técnica prevê a disposição dos resíduos sólidos sobre um solo impermeabilizado, com drenagem de lixiviados gerados, drenagem e queima de gases, tratamento dos efluentes e camadas de cobertura dos resíduos.
É uma técnica segura, relativamente de baixo custo frente a tecnologias mais avançadas de tratamento e possui a capacidade de reduzir os possíveis impactos ambientais, quando comparado aos lixões. Os aterros sanitários são considerados grandes fontes antropogênicas de
emissões gasosas geradas através da biodegradação, em meio anaeróbio da fração orgânica dos resíduos sólidos. O biogás produzido possui de 50 a 60% de metano, 40 a 50% de dióxido de carbono e outros gases em menores proporções (Kightley et al., 1995).
Estudos realizados mostram que cada tonelada de resíduos sólidos urbanos depositados em aterros sanitários resulta em aproximadamente 160 a 250 m³ de biogás (Humer e Lechner, 1999). Existem alguns fatores que interferem na capacidade de geração de biogás nos aterros sanitários, dentre eles estão à composição dos resíduos depositados, a umidade, o tamanho das partículas, a idade dos resíduos, o pH e a temperatura (Bogner and Spokas, 1993; Czepiel et al., 1996).
No projeto e construção dos aterros sanitários, como citado anteriormente, é obrigatória a instalação dos drenos para os gases, visando drenar os gases produzidos pela decomposição dos resíduos sólidos, a fim de evitar os possíveis acúmulos localizados e perigos de incêndio. Na saída dos poços conectados aos drenos o biogás é queimado transformando o metano em dióxido de carbono, o que reduz o potencial impactante do biogás.
Contudo, existem sistemas sofisticados de co-geração de energia através do biogás que estão sendo instalados em aterros sanitários no Brasil e em outros países. É importante ressaltar que nenhum sistema de coleta de gases é 100% eficiente devido à existência de emissões fugitivas pela camada de cobertura dos aterros sanitários, comprovado através de estudos e constatações da presença de CH4 na
camada de cobertura dos aterros. Neste sentido estão sendo desenvolvidas pesquisas para capturar as emissões fugitivas através de sistemas bióticos, como biorecobrimentos, biofiltros e biojanelas.
Nestes sistemas ocorre a oxidação biológica do metano na camada de cobertura dos aterros sanitários, atenuando as emissões através de uma tecnologia de baixo custo, principalmente depois que os sistemas de coletas não são mais utilizados, 20 a 30 anos após fechamento do aterro sanitário (IPCC, 2007).
A oxidação biológica é realizada por bactérias metanotróficas, as quais, em meio aeróbio, oxidam o metano em CO2, H2O, biomassa e
No entanto, as propriedades físicas, químicas e biológicas do material de cobertura devem ser adequadas para a atividade das bactérias metanotróficas, bem como a taxa de produção e composição do biogás (HILGER e HUMER, 2003) e as variáveis climáticas como a pressão atmosférica, precipitação e temperatura que afetam também o processo de oxidação (CABRAL et al., 2007).
Por outro lado existem algumas substâncias inibidoras do processo de oxidação do metano, como a presença de NH4
+
e NO3 em
concentrações elevadas (HUMER e LECHNER, 1999). Os substratos onde as bactérias metanotróficas irão atuar podem ser constituídos por resíduos de construção civil, brita, areia, resíduos industriais, minérios de ferro, solos em geral, composto, lodo de esgoto, dentre outros, criando um meio propício para a atividade das bactérias metanotróficas.
Ensaios de coluna são realizados com a intenção de estudar, em escala laboratorial, o comportamento de diferentes substratos utilizados na oxidação do metano, buscando condições relativamente semelhantes aos aterros sanitários, com a inserção de biogás e ar atmosférico em uma coluna preenchida com substrato. Nesta coluna são realizadas amostragem dos gases em diferentes pontos para verificar a eficiência da oxidação do metano nas diferentes camadas do substrato.
Neste contexto o propósito deste trabalho é estudar a eficiência da oxidação do metano em coluna piloto experimental simulando camadas de cobertura de aterro sanitário, através de substratos variados como solos e/ou resíduos gerados nas regiões próximas aos aterros onde poderão ser futuramente desenvolvidos ensaios de campo.
1.1 JUSTIFICATIVAS
Diante da geração crescente de resíduos sólidos em todo o mundo e da busca por soluções para redução, reutilização e reciclagem, existe ainda a responsabilidade pela disposição final ambientalmente correta dos rejeitos, onde os aterros sanitários figuram como uma das soluções mais utilizadas, com infra-estrutura necessária para o confinamento dos resíduos sólidos urbanos e controle da geração de lixiviados e biogás.
Os aterros sanitários figuram entre os maiores emissores antrópicos de metano, gás este gerado a partir da biodegradação em meio anaeróbico da fração orgânica contida nos resíduos sólidos urbanos. Este biogás gerado é coletado por um sistema de drenagem de gases e tem como finalidade o controle das emissão, a redução da possibilidade de instabilidade e explosões, evitando o acúmulo de bolsões de gases no interior dos mesmos e a minimização dos impactos causados pela migração dos gases nas áreas próximas aos aterros.
Os sistemas de drenagem de gases possuem em sua saída queimadores que têm por finalidade a conversão do metano em gás carbônico, reduzindo o potencial impactante do gás emitido para a atmosfera. Em aterros mais modernos existe a coogeração de energia através do biogás, possuindo canalizações que encaminham o biogás gerado para os sistemas de conversão em energia, porém, em ambos os sistemas, aproximadamente 25% de todo o biogás gerado nos aterros sanitários escapam dos sistemas de drenagem de gases e são emitidos diretamente para a atmosfera.
Neste sentido, tem-se estudado alternativas eficientes e de baixo custo com a finalidade de oxidação das emissões fugitivas de metano pela camada de cobertura dos aterros sanitários. As camadas de cobertura têm como objetivo evitar a exposição do lixo e também a entrada excessiva de água proveniente de precipitações. Contudo, as técnicas de biorecobrimentos além de atuar como uma camada de cobertura realizam a oxidação passiva do metano, garantindo a oxidação das emissões fugitivas dos sistemas de drenagem do biogás, evitando a emissão direta do metano para a atmosfera e deixando de contribuir para o aquecimento global e impactos associados.
Através de pesquisas que buscam identificar possíveis substratos ou resíduos com potencial para oxidação do metano na camada de cobertura dos aterros sanitários, pode-se alcançar resultados satisfatórios do ponto de vista técnico e ambiental.
Portanto, a inserção desta metodologia de pesquisa vem acrescentar instrumentos as demais pesquisas relacionadas ao tema resíduos sólidos, desenvolvidos pelo Laboratório de Pesquisa em Resíduos Sólidos do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina.
1.2 OBJETIVO
1.2.1 Objetivo Geral
Avaliar a taxa de oxidação do metano por bactérias metanotróficas em diferentes substratos potenciais, através de ensaios de coluna, simulando as camadas de cobertura de aterros sanitários.
1.2.2 Objetivos Específicos
Identificar substratos potenciais que proporcionem a oxidação do metano;
Variar as condições operacionais de fluxos de entrada de gases e monitorar a atividade bacteriana na oxidação do metano;
Analisar as características de umidade, grau de saturação, matéria orgânica e pH dos substratos antes e após os ensaios e suas interferências no processo de oxidação;
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 RESÍDUOS SÓLIDOS
Chamado de lixo na linguagem popular, os resíduos sólidos possuem diferentes definições. De acordo com o Dicionário da Língua Portuguesa, "lixo é tudo aquilo que não se quer mais e se joga fora; coisas inúteis, velhas e sem valor". Para o IBAM (2001), “resíduo sólido, ou simplesmente lixo, é todo material sólido ou semi-sólido indesejável e que necessita ser removido por ter sido considerado inútil por quem o descarta, em qualquer recipiente destinado a este ato”.
Já a Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, através da NBR 10.004/2004, que trata da Classificação dos Resíduos Sólidos, define os resíduos sólidos como: “resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnicas e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível”.
Esse material que se torna inútil por grande parte da população pode retornar como matéria prima para um novo produto ou processo, surgindo então à idéia de reaproveitamento, convidando a uma reflexão sobre o conceito clássico de resíduos sólidos. A geração dos resíduos sólidos pelas atividades humanas é vista como um dos principais problemas ambientais em todo o mundo, por isso é grande a preocupação com sua correta destinação final, evitando prejuízos ambientais, econômicos e sociais, evidenciando-se assim a importância de um bom gerenciamento dos mesmos.
2.1.1 Classificação dos resíduos sólidos
A classificação dos resíduos sólidos gerados em uma determinada atividade é o primeiro passo para estruturar um plano de gestão adequado. A partir da classificação são definidas as etapas de coleta, armazenamento, transporte, manipulação e destinação final, de acordo com cada tipo de resíduo gerado (IBAM, 2001). São várias as maneiras de se classificar os resíduos sólidos de acordo com o objetivo desejado. Pode-se classificá-los quanto a sua natureza física ou quanto à composição química, mas as mais relevantes são quanto aos riscos potenciais de contaminação do meio ambiente e à origem.
2.1.1.1. Classificação quanto à origem
A origem é o principal elemento para a caracterização dos resíduos sólidos. Segundo este critério, o IBAM (2001) agrupa os diferentes tipos de resíduos em cinco classes principais, a saber:
Resíduos domésticos ou residenciais: são os resíduos gerados nas atividades diárias em casas, apartamentos, condomínios e demais edificações residenciais.
Resíduos comerciais: são os resíduos gerados em estabelecimentos comerciais, cujas características dependem da atividade ali desenvolvida. Nas atividades de limpeza urbana, os tipos “domésticos" e "comerciais" constituem o chamado "lixo domiciliar", que, junto com o lixo público, representa a maior parcela dos resíduos sólidos produzidos nas cidades. O grupo de lixo comercial, assim como os entulhos de obras, pode ser dividido em subgrupos chamados de "pequenos geradores" e "grandes geradores". O regulamento de limpeza urbana do município poderá definir precisamente os subgrupos de pequenos e grandes geradores. Pode-se adotar como parâmetro: Pequeno Gerador de Resíduos Comerciais é o estabelecimento que gera até 120 litros de lixo por dia. Grande Gerador de Resíduos Comerciais é o estabelecimento que gera um volume de resíduos superior a esse limite. Analogamente, pequeno gerador de entulho de obras é a pessoa física ou jurídica que gera até 1.000kg ou 50 sacos de 30 litros por dia, enquanto
grande gerador de entulho é aquele que gera um volume diário de resíduos acima disso.
Resíduo público: são os resíduos presentes nos logradouros públicos, em geral resultantes da natureza, tais como folhas, galhadas, poeira, terra e areia, e também aqueles descartados irregular e indevidamente pela população, como entulho, bens considerados inservíveis, papéis, restos de embalagens e alimentos.
Resíduos domiciliar especial: compreendem os entulhos de obras, pilhas e baterias, lâmpadas fluorescentes e pneus. Observe que os entulhos de obra, também conhecidos como resíduos da construção civil, só estão enquadrados nesta categoria por causa da grande quantidade de sua geração e pela importância que sua recuperação e reciclagem vêm assumindo no cenário nacional.
Resíduos de fontes especiais: são resíduos que, em função de suas características peculiares, passam a merecer cuidados especiais em seu manuseio, acondicionamento, estocagem, transporte ou disposição final. Dentro da classe de resíduos de fontes especiais, merecem destaque:
Industrial: são os resíduos gerados pelas atividades industriais. São resíduos muito variados que apresentam características diversificadas, pois estas dependem do tipo de produto manufaturado. Devem, portanto, ser estudados caso a caso.
Radioativo: considerados os resíduos que emitem radiações acima dos limites permitidos pelas normas ambientais. O manuseio, o acondicionamento e a disposição final do lixo radioativo no Brasil estão a cargo da Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN.
Portos, aeroportos e terminais rodo-ferroviários: Resíduos gerados tanto nos terminais, como dentro dos navios, aviões e veículos de transporte. Os resíduos dos portos e aeroportos são decorrentes do consumo de passageiros em veículos e aeronaves e sua periculosidade está no risco de transmissão de
doenças já erradicadas no país. A transmissão também pode ocorrer através de cargas eventualmente contaminadas, tais como animais, carnes e plantas.
Agrícola: Formado basicamente pelos restos de embalagens impregnados com pesticidas e fertilizantes químicos, utilizados na agricultura, que são perigosos. Portanto o manuseio destes resíduos segue as mesmas rotinas e utiliza-se dos mesmos recipientes e processos empregados para os resíduos industriais Classe I.
Serviços de saúde: Compreendendo todos os resíduos gerados nas instituições destinadas à preservação da saúde da população.
2.1.1.2. Classificação quanto aos riscos potenciais
De acordo com a NBR 10.004 da ABNT, os resíduos sólidos podem ser classificados em:
Classe I ou perigosos: são aqueles que, em função de suas características intrínsecas de inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade ou patogenicidade, apresentam riscos à saúde pública através do aumento da mortalidade ou da morbidade, ou ainda provocam efeitos adversos ao meio ambiente quando manuseados ou dispostos de forma inadequada.
Classe II A ou não-inertes, não perigosos: são os resíduos que podem apresentar características de combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade, com possibilidade de acarretar riscos à saúde ou ao meio ambiente, não se enquadrando nas classificações de resíduo Classe I ou Classe II B.
Classe II B ou inertes, não perigosos: São aqueles que, por suas características intrínsecas, não oferecem riscos à saúde e ao meio ambiente, e que, quando amostrados de forma representativa, segundo a norma NBR 10.007, e submetidos a um contato estático ou dinâmico com água destilada ou
deionizada, a temperatura ambiente, conforme teste de solubilização segundo a norma NBR 10.006, não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade da água, conforme listagem nº 8 (Anexo H da NBR 10.004), excetuando-se os padrões de aspecto, cor, turbidez e sabor.
2.1.2. Composição dos resíduos sólidos
As indústrias com suas novas tecnologias vêm produzindo materiais com uma grande diversidade físico-química, com baixa biodegradabilidade e vida útil, gerando resíduos muitas vezes variáveis, complexos e de difícil tratabilidade (BOHN, 2003).
As características dos resíduos sólidos urbanos estão condicionadas a diversos fatores, desde fatores climáticos, densidade populacional e condições sociais e econômicas, que influenciam a composição gravimétrica e a taxa de produção per capita (CASSINI et al., 2003). Os diferentes hábitos e costumes da população, as atividades econômicas dominantes, os padrões de vida, o clima, as estações do ano e outras condições locais contribuem para essa variação de composição, tanto qualitativamente como quantitativamente (TAKEDA, 2002).
Os RSU são constituídos basicamente por matéria orgânica putrescível, papel/papelão, podas de árvores e gramados, plástico, vidro, material metálico ferroso e não ferroso, ossos e demais tipos de resíduos muitas vezes denominados de material inerte, dependendo dos critérios de caracterização física ou gravimétrica (CASSINI et al., 2003).
A matéria orgânica tem grande representatividade quantitativa nos resíduos sólidos gerados na maioria das cidades brasileira. Em Florianópolis de acordo com a caracterização física dos resíduos sólidos urbanos, realizada pela COMCAP em 2002, apresentou uma relação de 46% em peso dos resíduos na forma de matéria orgânica.
O papel, plástico e o papelão estão também em grande quantidade nos resíduos sólidos urbanos, apresentando viabilidade de implantação de coleta seletiva. Além destes existe uma pequena parcela que é representada pelos vidros e metais (OROFINO, 2002).
Os rejeitos são constituídos pelos resíduos sanitários e pelos materiais que não possuem características para serem reciclados ou reutilizados. A sua correta separação evita o envio de materiais recicláveis juntamente para o local de disposição final, onde em alguns casos são os aterros sanitários.
2.1.3. Geração, coleta e destinação final
A taxa de geração dos resíduos sólidos urbanos é a quantidade de resíduos gerada por habitante em um período de tempo especificado e que tem caráter fundamental no planejamento de coleta e destinação dos resíduos. Os fatores de geração consistem, basicamente, na taxa de geração por habitantes e no nível de atendimento dos serviços públicos do município.
A geração per capita pode variar conforme o tamanho das cidades segundo IBGE (2000). Em cidades com até 200 mil habitantes, os valores estão entre 0,45 e 0,70 kg/habitante.dia e nas cidades acima de 200 mil habitantes, essa quantidade aumenta para a faixa entre 0,8 e 1,2 kg/habitante.dia.
Segundo dados da ABRELPE (2009) a geração de RSU no Brasil intensificou-se no ano de 2009, quando a produção total chegou a aproximadamente 57 milhões de toneladas, conforme pode ser observado na Figura 1.
Figura 1- Geração de resíduos 2008 e 2009 (ABRELPE, 2009)
A comparação destes dados de geração com a quantidade de resíduos coletados indicada na Figura 2 mostra que quase 7 milhões de toneladas de RSU deixaram de ser coletadas e, certamente, tiveram destino impróprio (ABRELPE, 2009).
Com relação à destinação dos resíduos sólidos no Brasil (Figura 3), aproximadamente 57% dos resíduos são destinados corretamente em aterros sanitários, enquanto que 43% do total ainda estão sendo dispostos em locais inadequados, como os lixões, evidenciando a problemática e os possíveis impactos ambientais (poluição do solo, da água e do ar), sociais (existência de catadores), econômicos (desvalorização do uso do solo local e vizinho) e de saúde pública (contaminações por vias diretas e indiretas).
Figura 3– Destinação dos resíduos 2008 e 2009 (ABRELPE, 2009)
2.2. ATERRO SANITÁRIO
O aterro sanitário é uma técnica de disposição final de resíduos sólidos urbanos no solo, sem causar danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais. É um método que utiliza princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à menor área possível e reduzi-los ao menor volume permissível, cobrindo-os com uma camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho, ou a intervalos menores, se necessário (NBR 8419). Um aterro sanitário deve possuir impermeabilização de base, sistema de drenagem de lixiviados, reduzindo as pressões atuantes dos líquidos na massa de resíduos e minimizando o potencial de migração do mesmo no subsolo, sendo o liquido conduzido para tratamento antes de ser lançado em corpos d’água.
Igualmente, um aterro sanitário deve dispor de sistema de drenagem dos gases provenientes da decomposição da matéria orgânica
resultante do processo de digestão dos resíduos sólidos, evitando acúmulos de gases e perigos de incêndio. Além disso, a drenagem dos gases garante a estabilidade física do maciço de resíduos. Os drenos verticais geralmente são construídos em secção cilíndrica de brita envolta por telas e os drenos horizontais são construídos associados aos drenos verticais e facilitam a drenagem dos gases pela massa de resíduo, podendo ser interligados ao sistema de drenagem de lixiviados (D’ALMEIDA; VILHENA, 2000). O tratamento do biogás poderá ocorrer através da queima diretamente nos drenos verticais ou ainda pode ser coletado e direcionado para sistemas centralizados de queimadores ou aproveitamento energético.
Para proteger a superfície das células de lixo são projetados sistemas de cobertura, buscando minimizar os impactos ambientais, diminuir a presença de vetores, diminuírem a taxa de formação de lixiviados, redução de maus odores, impedirem catadores, eliminação da queima dos resíduos e a saída descontrolada dos gases. O sistema de cobertura deve ser resistente a processos erosivos, sendo recomendado o uso de proteção vegetal (IPT, 1995).
A Política Nacional dos Resíduos Sólidos (Lei 12.305) define como disposição final ambientalmente adequada a distribuição ordenada de rejeitos em aterros sanitários, observando normas operacionais específicas de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança e a minimizar os impactos ambientais adversos.
Segundo a NBR 13896 “Aterros de resíduos não perigosos - Critérios para projeto, implantação e Operação” são fixadas as condições mínimas exigíveis para projeto, implantação e operação de aterros de resíduos não perigosos, de forma a proteger adequadamente as coleções hídricas superficiais e subterrâneas próximas, bem como os operadores destas instalações e populações vizinhas. Entretanto, não existe um padrão definido de como se deve construir um sistema de cobertura final em um aterro de resíduos sólidos, utilizando comumente o que ditam as normas NBR 8419 (ABNT, 1992) e NBR 13896 (ABNT, 1997).
2.3. BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO
Nos aterros sanitários a conversão biológica da matéria orgânica é a principal responsável pela degradação dos resíduos, resultando na geração de gás (biogás) e no carregamento de moléculas diversas pela água da chuva (lixiviado) (CASTILHOS JR et al., 2003). Os resíduos depositados em aterros sanitários sofrem decomposição na forma aeróbia, enquanto há presença de oxigênio e após a cessão de ar ocorre a decomposição anaeróbia.
A biodegradação aeróbia é iniciada durante a deposição dos resíduos nos aterros perdurando até certo período após a colocação da camada de cobertura, enquanto houver presença de oxigênio. Na etapa aeróbia predominam fungos, streptomices e bactérias fotossintéticas (CASTILHOS JR et al., 2003).
Contudo, o restante da degradação se dá sob ambiente anaeróbio. Os consórcios microbianos presentes em sistemas anaeróbios de aterramento de resíduos são responsáveis pela seqüência das etapas de degradação: hidrólise de polímeros, fermentação de ácidos orgânicos e mineralização final dos resíduos com a etapa de metanogênese (CASTILHOS JR et al., 2003).
A origem do biogás de aterro sanitário ocorre por biodegradação dos resíduos depositados e em 4 fases, descritas a seguir.
A fase I, exclusivamente aeróbia, existe a presença de oxigênio. Essa etapa se inicia imediatamente após deposição dos resíduos e ocorre enquanto houver presença de O2. Água, nitritos e sais de ferro formam
os produtos finais dessa etapa (CASTILHOS JR et AL. 2003). Após a cessão de oxigênio ocorre a decomposição anaeróbia, que formam as etapas seguintes. Período de 1 a 6 meses.
Nas fases II e III, fases ácidas, a concentração de CO2
representa a maior parte dos gases gerados no aterro devido aos processos acidogênicos e acetogênicos, que resultam na formação de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono. Park et al. (2001) afirma que a primeira reação química que ocorre durante a degradação da matéria orgânica depositada, transforma essa massa em diversos produtos intermediários como compostos orgânicos voláteis e alcoóis.
Período de 3 meses a 3 anos. Ao final da terceira etapa, metanogênica instável, a população das bactérias metanogênicas começa a se proliferar e crescer, com o início da geração de CH4.
A quarta fase do processo, onde há predominância de organismos anaeróbios metanogênicos, ocorre à formação do gás metano com produtos finais formados principalmente por ácidos acéticos e dióxido de carbono; essa fase, caracterizada por ser a mais longa pode durar até 40 anos (ESMAP, 2004).
Castilhos Jr. et al. (2003) consideram que embora essa divisão do processo de digestão anaeróbia em fases facilite o entendimento dos fenômenos de estabilização biológica dos resíduos sólidos urbanos e seus impactos sobre as emissões gasosas, na prática, durante a vida de um aterro, essas fases não são tão bem definidas. Isto ocorre na medida em que sempre há o aterramento de resíduos sólidos novos, causando grande variabilidade na idade do material disposto, não sendo difícil encontrar as três fases ocorrendo simultaneamente em um único aterro sanitário.
2.4. COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS
O biogás de aterro sanitário é constituído de vários gases e possui uma relação direta com a característica do resíduo depositado. O gás metano e o dióxido de carbono são os principais constituintes desses compostos e os demais elementos encontrados não devem ser desprezados, apesar de representar uma pequena parcela do composto total, pois podem ser tóxicos e apresentar riscos à saúde pública (MCBEAN, ROVERS, FARQUAR, 1995).
A pequena diferença existente entre a concentração de gás metano e dióxido de carbono encontrada no biogás se deve à dissolução de parte do CO2 na fração aquosa da massa de resíduos (GUNNERSON;
STUCKEY, 1986). Os valores típicos de seus constituintes e suas concentrações citados por diversos autores são apresentados na Tabela 1 a seguir.
Tabela 1– Composição do biogás Referência CH4 CO2 N2 O2 1 45 - 60 40 – 60 2 - 5 0,1 – 1,0 2 45 - 58 35 - 45 <1 - 20 <1 - 5 3 50 - 70 30 - 50 - - 4 65 35 - - 5 55 – 65 35 – 45 - - 6 45 - 60 35 - 50 - -
(1) Tchobanoglous, Theisen e Vinil (1993); (2) Qian, Koerner e Gray (2002); (3) Mcbean, Rovers e Farquar (1995); (4) Ritzkowski e Stegmann (2007); (5) Christensen et al. (1996); (6) Gandolla et al. (1997)
2.5. GÁS METANO
Segundo o IPCC (2007) o metano é um importante gás de efeito estufa, sendo a sua contribuição para o aquecimento global estimada em 18% e com poder de aquecimento global 25 vezes maior que o gás carbônico. É o principal componente do gás natural e está presente nos combustíveis hidrocarbonetos, na agricultura e em processos anaeróbios de tratamento de efluentes e decomposição de resíduos. Com a revolução industrial, as emissões antrópicas globais de gases de efeito estufa foram aumentando significativamente, chegando-se a valores próximos de 70%, porém, a contribuição exata de cada fonte não está bem definida (IPCC, 2007).
O aumento das emissões antrópicas de gases de efeito estufa pode ter sido o provável fator responsável pelo aumento das temperaturas médias globais, com repercussões evidentes também em outros parâmetros climáticos, incluindo o aquecimento dos oceanos, padrões de vento, temperaturas médias continentais e alcance de valores extremos de temperaturas (IPCC, 2007).
Dentre as principais fontes de metano estão às zonas úmidas, plantações de arroz, gado ruminante, tratamento de águas residuárias, produção e consumo de combustíveis fósseis, queima de biomassa e aterros sanitários (BARLAZ et al., 2004). Além de zonas úmidas, as fontes de CH4 mencionados são quase todas de origem antrópicas e são
responsáveis por aproximadamente 70% das emissões globais anuais de CH4. O aterro sanitário é a terceira maior fonte de emissão antrópica de
CH4, com 17% das emissões globais (Figura 4) (WUEBBLES E
HAYHOE, 2002).
Figura 4– Fontes de emissões antrópicas (adaptado de Wuebbles e Hayhoe, 2002).
O gás proveniente de aterros é gerado através da decomposição anaeróbia da matéria orgânica e contém cerca de 50% a 60% de metano (IPCC, 2007). Humer e Lechner (1999) estimaram um potencial especifico de geração de metano da ordem de 80 a 120 m³ CH4 / t RSU
úmidos (resíduos sólidos urbanos úmidos). Além disso, estes autores estimam que para um aterro sanitário em funcionamento e com 20 m de espessura, o fator de emissão de CH4 é de aproximadamente 242 g
CH4/m².dia para os 10 primeiros anos de funcionamento do aterro.
Através da separação da fração orgânica realizada por meio de coletas seletivas, as emissões de CH4 são em torno de 85-115 g
CH4/m².dia. Para cada tonelada de resíduos sólidos urbanos úmido
(RSUúmidos) sem pré-tratamento, estima-se que cerca de 200 m³ de biogás seja formado. Considerando-se que 60% do volume de biogás é composto por metano, tem como resultado um potencial específico de geração de aproximadamente 120 m³ CH4 / t RSUumidos (BAHR et al.,
2006).
Na Tabela 2 são apresentados alguns estudos onde foi quantificada a geração de metano de acordo com as fontes de geração, a
carga emitida por área e a referência bibliográfica que se refere cada um dos dados.
Tabela 2– Quantificação da emissão de metano em aterros sanitários
FONTE DE METANO
CARGA POR ÁREA (litro de CH4/m².dia) REFERÊNCIA Aterro em funcionamento nos primeiros 10 anos com 20 m de profundidade 340 Hummer e Lechner, (1997)
Resíduo restante após a separação do resíduo orgânico, nos
primeiros 10 – 15 anos, 20 m de profundidade 120 - 160 Hummer e Lechner, (1997) Resíduo tratado através de processo mecânico e biológico, 20 m de profundidade < 25 Hummer e Lechner, (1997) Resíduo tratado através de processo mecânico e biológico 72 Fricke et al. (1997) Áreas abandonadas após 10 – 15 anos 90 - 110 Hummer e Lechner, (1997) Lixão doméstico 400 Kightley e Nedwell
(1994) Fonte: adaptado de Bahr et al. (2006)
Segundo Maciel (2003) existem fatores geotécnicos que influenciam a emissão de biogás nos aterros sanitários, conforme podem ser observados na Tabela 3.
Tabela 3– Fatores geotécnicos que afetam a emissão de biogás
PARÂMETROS GEOTÉCNICOS
POSSÍVEIS EFEITOS NAS EMISSÕES DE GASES PARA A ATMOSFERA
Tipo de solo
Solos de granulometria fina (argilas) são preferidos para controle das emissões (menor permeabilidade e maior retenção
de umidade).
Espessura
Quanto maior a espessura da camada, maior a possibilidade de retenção física,
química e biológica dos gases.
Umidade/Saturação
A presença de água nos vazios do solo reduz o fluxo dos gases. Redução drástica
para valores acima de 75% de saturação.
Conteúdo volumétrico de ar
Quanto maior a presença de poros aerados na matriz, mais rápida é a velocidade dos gases no meio, consequentemente maiores
as emissões.
Densidade/Compactação
O aumento da densidade dificulta a passagem dos gases (menor porosidade e
permeabilidade) minimizando as emissões.
Sucção
Importante relação com a
retenção/absorção da umidade na camada, especialmente nas camadas
evapotranspirativas. Temperatura A elevação da temperatura do solo
PARÂMETROS GEOTÉCNICOS
POSSÍVEIS EFEITOS NAS EMISSÕES DE GASES PARA A ATMOSFERA
Coeficiente de permeabilidade
Parâmetro que mede a
facilidade/dificuldade do gás atravessar o solo por advecção. Grandeza proporcional
as emissões de gases.
Coeficiente de difusão
Parâmetro que mede a
facilidade/dificuldade do gás atravessar o solo por advecção. Grandeza proporcional
ao fluxo de gás emitido.
Contração, expansão e fissuras
Ciclos de umedecimentos/secagem favorecem o aparecimento de fissuras em
solos argilosos, aumentando os níveis de emissão.
Mineralogia
Possíveis reações físico-químicas dos minerais do solo com os gases podem
retê-los na cobertura. Fonte: Maciel (2003)
2.6. FATORES DE INFLUÊNCIA PARA A OXIDAÇÃO DO METANO
A camada de cobertura de um aterro sanitário tem como funções o controle de infiltrações e também a redução de emissões de biogás através do Biorecobrimento de Oxidação Passiva do Metano (BOPM). Para esta camada de oxidação cumprir suas funções é necessário considerar certas características, particularmente no que diz respeito aos parâmetros geotécnicos, materiais de cobertura do solo e da água utilizada.
A oxidação do CH4 realizada por bactérias metanotróficas
ocorre naturalmente em solos e aterros sanitários e podem ser promovidos por meio da otimização de parâmetros ambientais e físicos (EINOLA et al., 2008). A capacidade de oxidação do CH4 depende das
propriedades físicas do material de cobertura, com destaque para a porosidade, a qual afeta o coeficiente de difusão de gás (HILGER E HUMER, 2003, HILGER et al. 2000a; KETTUNEN et al . de 2006), disponibilidade de nutrientes, principalmente nitrogênio e fósforo (HILGER E HUMER, 2003) e as taxas de produção de CH4.
Além das propriedades físicas, depende também de variáveis climáticas, tais como a pressão atmosférica, a qual afeta o fluxo de advecção e entrada de O2, a precipitação, a qual afeta o teor de água,
influenciando o conteúdo de ar e temperatura, que afeta não apenas a distribuição de gás, mas principalmente a atividade microbiana (CABRAL et al, 2007; CZEPIEL et al, 1996; EINOLA et al, 2008; HILGER E HUMER, 2003). O grau de saturação de água é um dos parâmetros mais importantes para a oxidação do CH4 devido à
influência de espaço disponível para a circulação de gás (CABRAL et al., 2008). A reação de oxidação do metano é dada pela Equação 1.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H20 + 210,8 kcal / mol Equação 1 – reação de
oxidação
2.6.1. Bactérias metanotróficas
As bactérias metanotróficas estão presentes naturalmente em muitos ecossistemas onde existe a presença de metano e são particularmente abundantes nas regiões de interface de zonas úmida aeróbia e anaeróbia, arrozais e pântanos. Foram encontradas em abundância na camada de cobertura de aterros sanitários (GEBERT et al. 2003b; HUBER-HUMER et al., 2008). As bactérias metanotróficas são classificadas em dois tipos principais: tipo I e II.
Segundo Christophersen et al. (2000), as bactérias do tipo I são aquelas encontradas em locais onde a concentração de CH4 é baixa e a
concentração de O2 é elevada (quase 21%). A taxa de oxidação máxima
alcançável pelas bactérias do tipo I é limitada pela quantidade de CH4
no ambiente. Por outro lado as bactérias do tipo II são favorecidas quando a concentração de CH4 é alta e a concentração de O2 é baixa.
inicial na oxidação do metano, por isso todas estas bactérias são aeróbias.
Os microorganismos capazes de oxidar o metano são chamados de bactérias metilotróficas obrigatórias (metanotróficas) e são encontradas em quase todos os locais terrestres, marinhos e limnológicos. A enzima monooxigenase está presente em todos os microorganismos metanotróficos possibilitando a oxidação do metano, onde ocorre a fixação das moléculas de oxigênio (HUMER; LECHNER, 1999).
As bactérias metanotróficas consomem o metano convertendo-o em água, dióxidconvertendo-o de carbconvertendo-onconvertendo-o e biconvertendo-omassa celular. Os micrconvertendo-oconvertendo-organismconvertendo-os em questão podem ser divididos em dois grupos fisiológicos: tipo I (Methylomonas, Methylocaldum, Methylosphaera, Methylomicrobium e
Methylobacter) e tipo II (Methylocystis e Methylosinus) (TEIXEIRA,
2009).
As quantidades de carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre podem limitar o crescimento das bactérias metanotróficas, sendo que estas absorvem o nitrogênio na forma de nitrato ou amônia. Estes microorganismos são sensíveis a determinados fatores, como pH, temperatura e teor de umidade (BAHR, 2006).
As bactérias metanotróficas podem sobreviver a um período de privação de CH4 e retomar a atividade uma vez que a taxa de fluxo de
CH4 se torna suficientemente elevada. Gebert et al. (2003b) observaram
esse fenômeno em seus biofiltros. Após uma interrupção de 25 semanas de biogás, o reinício do sistema de abastecimento alcançou taxas de oxidação obtidas antes da interrupção da alimentação.
2.6.2. Matéria orgânica
Relativamente com o aumento da matéria orgânica (MO) do solo aumenta também a atividade oxidativa. Humer e Lechner (1999) relataram que a adição de lodo de esgoto em uma areia grossa aumentou a taxa de oxidação do solo em 26%. Além de fornecer nutriente para as bactérias metanotróficas, um solo rico em matéria orgânica tem uma maior porosidade. Testes de oxidação de um composto maduro e bem
estruturado demonstraram uma elevada capacidade de oxidação de CH4
(HUMER e LECHNER, 1999, WILSHUSEN et al., 2004).
2.6.3. Grau de saturação e porosidade
Segundo Cabral et al. (2008) o grau de saturação de água (Sr), ou a relação entre o volume de água e o volume de vazios é o parâmetro geotécnico que melhor expressa a importância do conteúdo de água no biorecobrimento de oxidação passiva do metano (BOPM) pois indica a disponibilidade de espaço para a migração de gás. A permeabilidade do solo para o ar aumenta quando o teor de água no solo é baixo, existindo mais vazios e fazendo com que o gás migre mais facilmente.
O teor de água muito alto pode reduzir o transporte do gás do solo, porque a difusão molecular na água é de cerca de 100 vezes mais lenta que no ar (CABRAL et al., 2004).Quando o grau de saturação de água é maior que 85% resulta em uma redução do fluxo de gás, limitando assim a oxidação de CH4 (CABRAL et al., 2004). No entanto,
segundo Humer e Lechner (1999), se o grau de saturação cai abaixo de 13%, as bactérias metanotróficas tornam-se inativas.
Assim, o tempo de residência de CH4 na camada e sua
disponibilidade para os microorganismos são fortemente influenciados pelo teor de água. Segundo Humer e Lechner (1999) o grau ótimo de saturação para a oxidação é entre 40 e 80% (teor de umidade entre 25 e 50%). Hilger e Humer (2003) observaram que a atividade máxima das metanotróficas ocorreu em um teor de água igual a 45%.
Com relação à porosidade ela afeta diretamente a penetração de O2 e a migração ascendente de CH4. Este parâmetro é fortemente
influenciado pela compactação do solo. Humer e Lechner (1999) observaram que os solos com porosidade adequada apresentam taxas de oxidação mais elevadas. Segundo Stern et al. (2007) o conteúdo do ar, que pode ser calculado a partir do grau de saturação e densidade relativa (Gs), afeta diretamente a profundidade de penetração de O2 e o tempo
de retenção de CH4 no BOPM, resultando em alterações na eficiência de
2.6.4. Temperatura
A temperatura no BOPM tem um impacto sobre reações biológicas, como a oxidação biológica de CH4 por bactérias
metanotróficas. Assim, a atividade é baixa com temperaturas menores de 5 °C e significativa acima de 20 ° C (CZEPIEL et al., 1996). A atividade metanotrófica atinge seu ideal próximo dos 30 °C. No entanto, se a temperatura for superior a 45 °C, a atividade bacteriana é inibida. De Visscher et al. (2001) mostraram que a influência da temperatura sobre a atividade das metanotróficas é pronunciado quando a concentração de CH4 é maior.
2.6.5. pH
Segundo Scheutz e Kjeldsen (2004) o pH ótimo para a oxidação do CH4 e para o crescimento das bactérias metanotróficas é de
neutralidade (6,5 - 7,5). Figueroa (1993) relatou um pH ótimo na faixa de 5,5 a 8,5. Hilger et al. (2000b) e Humer e Lechner (1999) relataram que é possível ter a oxidação nos substratos com pH entre 4 e 9.
2.6.6. Pressão atmosférica
Variações na pressão atmosférica afetam o fluxo de O2 no
BOPM, especialmente se o substrato for muito poroso (GEBERT e GRÖNGRÖFT, 2006a). O aumento da pressão atmosférica provoca a entrada de O2 no BOPM e promove a oxidação do CH4. O fenômeno
oposto ocorre quando diminui a pressão atmosférica.
2.6.7. Metais e NH4
Alguns estudos têm sido conduzidos para determinar a influência dos metais a partir da oxidação do metano. Segundo Knapp et al. (2007) há uma forte correlação entre a ecologia das metanotróficas e o nível de cobre (Cu2 +) do substrato, pois estas bactérias necessitam de
cobre para apoiar a enzima mais eficiente na oxidação do metano (partícula monooxigenase). Mohanty et al. (2000) concluiu que o cromo (Cr) impediu significativamente a oxidação do CH4 em solos aluviais
com um grau de saturação de 60%, enquanto o cobre tem impulsionado o processo e zinco (Zn) não tenha afetado a oxidação.
Para um solo saturado, zinco e cromo têm impedido uma oxidação significativa do CH4 e o cobre não afetou a oxidação. Segundo
Scheutz e Kjeldsen (2004), a presença de cobre (Cu) deve estar presente em alta concentração (inibição inicial de 60 ppm e inibição total de 850 ppm) para inibir a atividade oxidativa das bactérias metanotróficas.
Segundo Bender e Conrad (1995) o NH4 também parece ter
uma influência sobre a oxidação do CH4, argumentando que baixas
concentrações de NH4 podem estimular a oxidação, mas que esta
substância é um inibidor em concentrações mais elevadas. Segundo esses autores, o NH4 é reconhecido como uma importante fonte de
nitrogênio (N) para as bactérias metanotróficas. Scheutz e Kjeldsen (2004) obtiveram um efeito inibitório da adição de 14 ppm NH4Cl.
Humer e Lechner (1999) relataram que a adição de 25 ppm NH4Cl
levou a percentagens de inibição variando entre 78 e 89%.
2.7. TÉCNICAS EM DESENVOLVIMENTO PARA OXIDAÇÃO DO METANO EM ATERROS SANITÁRIOS
Em um aterro sanitário o solo utilizado para a cobertura diária e para cobertura final (geralmente argila com baixa permeabilidade ao ar) não oferecem condições ótimas para o desenvolvimento de bactérias metanotróficas e consequentemente oxidação do CH4 (PHILOPOULOS
et al., 2008). Contudo é possível desenvolver sistemas baseados em processos biológicos para aperfeiçoar a oxidação, proporcionando condições favoráveis para o desenvolvimento de bactérias metanotróficas.
Estes sistemas são conhecidos como biorecobrimento, biofiltro, biojanelas, biomanta e podem ser usados para oxidar as emissões fugitivas de CH4 dos sistemas de drenagem do biogás. Além disso,
podem ser utilizadas nos aterros antigos, após o seu período de produção máxima de biogás ou em locais pequenos, onde o sistema de
extração de gás não é técnica ou economicamente viável. Quando o potencial de geração de biogás de resíduos é baixo, de modo que a recuperação do gás não é viável, é recomendado o uso desses sistemas (HUBER-HUMER et al., 2008).
2.7.1. Biorecobrimentos (Biocover)
A cobertura final de aterros que maximizam as condições ambientais para o crescimento e atividade de bactérias metanotróficas são frequentemente chamados de biocover ou biorecobrimentos. Os resultados de Huber-Humer et al. (2008) mostram que a capacidade de oxidação mais elevada dos biorecobrimentos está geralmente associada com substratos compostos de material grosseiro, poroso e bem estruturado, que são ricos em matéria orgânica. Abaixo é mostrado um esquema do sistema de biorecobrimento (Figura 5).
Figura 5 – Biorecobrimento (adaptado de Huber-Humer et al. (2008))
2.7.2. Biofiltro (Biofilter)
O biofiltro é um processo natural de degradação aeróbia dos poluentes do ar por oxidação bacteriana. Em um biofiltro, os microorganismos são fixos em um material filtrante (turfa, adubo, madeira, etc.), promovendo o crescimento de bactérias metanotróficas e
oxidação do metano. Os biofiltros necessitam da inserção de gás ativo ou passivo para abastecer o substrato e é particularmente apropriada em casos em que o sistema de extração de biogás não está mais em uso, ou quando a sua aplicação não é economicamente viável (HUBER-HUMER et al., 2008). Como os biorecobrimentos, os biofiltros deverão apresentar um substrato de alta porosidade e com boas condições ambientais para os microorganismos.
Além disso, recomenda-se aplicar os biofiltros em grande escala. A seguir é mostrado um esquema do sistema de biofiltro (Figura 6).
Figura 6 – Biofiltro (adaptado de Huber-Humer et al. (2008))
2.7.3. Biojanelas (Biowindow)
Ao contrário dos biorecobrimentos que se destinam a cobrir a totalidade ou parte do aterro, as biojanelas abrangem áreas menores em um aterro sanitário. Esta tecnologia é útil quando a implementação de um biorecobrimento em todo o aterro não é economicamente viável e quando nenhum sistema de coleta de gás pode ser conectado a um biofiltro. Nas biojanelas geralmente é utilizado composto como substrato e está diretamente integrado com a camada de cobertura do aterro, como mostrado na Figura 7. Ao contrário dos biofiltros, as biojanelas não estão contidas em uma estrutura rígida.
O biogás é alimentado diretamente pela camada de resíduos. O biogás migra naturalmente através da biojanela porque a permeabilidade do substrato é maior do que o solo da camada de cobertura dos aterros. A implantação de uma biojanela pode ser adequada quando as emissões de metano de superfície são baixas, ou seja, para gerenciar as emissões fugitivas de metano quando elas são bastante baixa ou quando a disponibilidade de substrato é limitada (HUBER-HUMER et al., 2008).
Figura 7 – Biojanelas (adaptado de Huber-Humer et al. (2008))
2.7.4. Biomanta (Biotarp)
Os sistemas de biorecobrimento, biofiltros e biojanelas geralmente são aplicados durante o encerramento do aterro, ou seja, na cobertura final. No entanto, o metano é produzido durante a vida útil das células, uma vez que logo após a colocação dos resíduos, condições anaeróbias irão promover as reações bioquímicas que levam à geração de metano. Devido a este problema, a biomanta visa eliminar CH4
durante a vida útil das células de aterro.
O conceito é baseado em uma lona com a presença de metanotróficas e como acontece com outras técnicas, a saturação e porosidade são parâmetros importantes. Além disso, a magnitude da superfície da biomanta para o crescimento bacteriano e densidade da folha também são importantes (HILGER et al., 2007). A Biomanta
